铜及其合金的金相制备

铜质地柔软且延展性强：易于加工，但在制备过程中容易出现表面损伤。铜独特的性能组合，特别是其稳定的导电性和导热性，使其成为电线、电信、热交换器和厨具等应用的首选材料。铜在能源转型中也起着至关重要的作用，在风力涡轮机、太阳能电池板和电动汽车等技术中不可或缺。其温暖、吸引人的外观使其在装饰和功能性物品（如把手、门把手、台面和桌子）中非常受欢迎。

为了准确评估铜的微观结构，精心的金相制备至关重要，因为不当的处理很容易引入伪影，如氧化物拉出引起的涂抹或划痕。本指南将引导您完成铜及其合金的金相制备的每一步，从切割和安装到研磨、抛光和腐蚀。

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In-depth Insights

QATM为所有材相应用提供产品

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主题

概述
铜的金相制备
- 切割和镶嵌
- 研磨和抛光
- 腐蚀
常见问题解答

概述

铜是一种呈红色、高度延展的金属，具有面心立方（FCC）晶体结构，以其优异的韧性和可塑性而闻名。人类已经使用铜数千年，不仅因为它的自然丰富性，还因为它独特的性能组合。从金相学的角度来看，铜的微观结构需要仔细制备，以揭示晶粒大小、孪晶和氧化物夹杂物等细节。准确的微观结构分析对于评估纯铜和铜合金的性能至关重要。

铜通常与各种元素合金化，以增强特定的机械、化学或物理性能。常见的合金元素及其功能包括：

锌（黄铜） – 提供改进的强度和出色的可加工性，使其成为配件和机械组件的理想选择。
锡（青铜） – 提高耐腐蚀性和耐磨性能，通常用于轴承和船舶硬件。
镍（铜镍合金） – 提高了对海水腐蚀和化学腐蚀的抗性，适用于海洋和热交换器应用。
铝、硅 和其他元素 – 为了优化强度、抗氧化性和化学稳定性，专门添加用于特殊用途。

铜合金通常分为两大类。锻造合金是通过轧制、挤压或拉伸等方法机械加工，以达到所需的形状。另一方面，铸造合金是从液态直接成型，因此非常适合生产复杂几何形状或大型部件。

铜及其合金的金相制备

Cu 和 Cu 合金的切割和安装

铜及其合金是相对柔软且延展性强的材料，易于切割，但也增加了污渍、变形和热损伤的风险，如果切割过程没有得到适当控制。因此，切割方法必须根据材料类型和几何形状进行仔细调整：

纯铜在切割过程中特别容易出现污渍和表面变形。为了减少这些影响，请使用树脂结合碳化硅（SiC）切割轮。对于普通和落地式切割机，我们推荐使用我们的 NF-A 切割轮，该切割轮非常适合切割硬度值高达 300 HV 的软非铁金属，确保切割干净且变形小。
铜合金，如黄铜、青铜或 Cu-Ni 系统，通常可以使用与纯铜相同的参数进行切割。然而，它们的硬度稍高，延展性较低，这意味着它们通常可以承受更高的进给速度或机械负荷，而不会影响切割质量。

为了确保精确且无损切割，使用具有足够冷却液流量的精密切割机是必不可少的。建议使用低切割速度，以减少热效应和涂抹。必须牢固但轻柔地夹紧样品，以防止振动或变形，特别是对于薄壁或管状样品，这些样品在纵向切割时可能会因内部应力而变形。对于极薄和压力敏感的样品，如铜管或弹药，我们建议在夹紧和切割前先将样品固定。

在 QCUT 150 A 中切割带有铜线的电缆

在 QCUT 250 A 中使用 NF-A 切割轮切割铜型材

固定在研磨和抛光过程中提供机械支持，对于小型、不规则或边缘敏感的铜样品尤其重要。它确保了稳定的处理，保护了样品边缘，并提高了制备的一致性。

NF-A 优质切割轮

热镶嵌耗材

冷镶嵌耗材

铜和铜合金的研磨和抛光

适当的研磨和抛光对于准确揭示铜及其合金的微观结构至关重要。由于铜的柔软性和延展性，制备过程必须小心控制，以避免涂抹、边缘圆润或表面变形，这些都可能掩盖晶界或精细的结构细节。

目标是产生一个平坦、无划痕、无变形的表面，保留金属基质和晶粒结构、孪晶边界、焊料或焊缝区域等特征。由于铜在机械应力下容易发生塑性变形，因此研磨过程必须相应调整。

为防止研磨过程中发生过度变形，一般建议从较细的实际砂粒大小开始进行平面研磨，而不是从粗糙的磨料开始。这减少了表面损伤的深度，简化了随后的抛光步骤。对于铜的研磨，我们推荐使用碳化硅（SiC）研磨纸，它可以控制材料的去除，同时减少涂抹和机械变形。我们推荐使用 DiaComplete Poly，这是一种基于水的金刚石悬浮液和润滑剂的混合物，专为快速、高效、可重复的抛光而设计。

铜的推荐制备顺序

* 在最后抛光步骤中，使用 98-90% Eposil F + 2-10% H₂O₂。如果不添加添加剂，抛光时间应加倍。

铜样品在边缘精抛光后 – 100:1

铜板最终抛光后的焊缝 – 200:1

铜横截面样品最终抛光后 – 25:1

砂纸

DIA-Complete Poly

Cu 和 Cu 合金的腐蚀

腐蚀是铜及其合金金相制备中的一个重要步骤。它使晶界、孪晶和第二相颗粒等微观结构特征在显微镜下可见。在许多情况下，特别是对于铸造合金，腐蚀很简单。然而，对于经过大量冷变形的有色铜合金，找到理想的腐蚀剂可能更具挑战性。在这种情况下，彩色腐蚀可以提供额外的对比度和清晰度。

常见的腐蚀剂可以使用标准化学试剂在实验室中制备。下表总结了典型配方和使用条件：

安全提示：必须谨慎使用酸。佩戴防护装备，并遵循实验室安全准则。

成分	腐蚀条件	描述
120 毫升蒸馏水或乙醇（≥96%），10 克三氯化铁	1-3 分钟	宏观结构的可视化，α 合金、所有类型黄铜和 Al 青铜的枝晶形成；晶粒表面腐蚀
50 毫升蒸馏水 50 毫升硝酸（65%）	10 – 120 秒	宏观结构可视化；晶粒表面腐蚀；黄铜腐蚀
100 毫升蒸馏水，10 克过硫酸铵	10 秒至 2 分钟；可轻轻加热以增强反应	微观结构可视化（例如晶界和晶粒表面）
100–120 毫升蒸馏水，20–50 毫升盐酸（32%），5–10 克三氯化铁	10–60 秒	腐蚀黄铜中的β相。腐蚀青铜和黄铜。

_{注：如果样品中含有铅，大多数腐蚀剂都会腐蚀夹杂物，留下黑色的空洞。为了准确记录铅的分布，应在腐蚀前拍摄图像。}

用铜 A 铁氯化物腐蚀剂腐蚀后的铜横截面样品 - 25:1

腐蚀后的两块铜板之间的接触区域 - 200:1

激光焊接铜样品中的热影响区 - 100:1

用铁质硝酸盐 CU2 腐蚀剂腐蚀后的铜合金 - 100:1

Cu 和 Cu 合金的硬度测试

铜及其合金的硬度测试通常使用维氏（HV）、布氏（HB）或洛氏（HR）方法进行。高纯铜的典型硬度值范围为 40 至 150 HV，而铜合金可以达到 300 HV 或更高。这些值取决于成分、热处理和冷加工程度，因此硬度测试是重要的质量控制工具。有关硬度测试的更多信息，请参阅我们的知识库，您可以在那里找到有关材料制样和表征的详细指导。

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In-Depth Insights and Practical Guidance

铜的特性是导热性和导电性极高，耐腐蚀性出色，强度适中，可塑性好。铜的物理性质见表1。作为人类古老的金属之一，铜已被使用了几千年，在现代技术和工业中仍然不可或缺。对铜及其合金的研究探讨了它们的结构、性质、加工和应用，提供了关于如何将这些多功能材料设计用于特定用途的见解。目前有超过400种铜合金，每种合金都有其独特的性质，并且新的合金还在不断开发中。这些材料经过精心设计，符合高的技术标准，并可根据广泛的用途进行定制。铜可以与各种不同的元素合金化。一些广为人知的铜合金包括各种类型的黄铜（含不同比例的锌）和青铜（由铜和锡制成）。其他常见的铜合金包括铜镍合金、铜铝合金、青铜（Cu-Sn-Zn合金）、铜锰合金和铜铅锡合金。德国铜业协会（DKI）于2013年设计的铜家族树是铜及其合金的理想代表性图像。

纯铜

铜合金

铜作为电子元件的一部分

特性	值	单位
原子序数	29	-
标准原子量	63,546	-
密度	8,96	g/cm ³
熔点	1083,4	g/cm ^°C
20°C时的电导率	60	MS/m
20°C下的导热性	395	W (m K)
比热容	0.38	J/gK (20-400 ^°C)
熔化热	214	J/g
晶体结构	面心立方（FCC）	-

对铜及其合金进行金相学研究的主要目标是：

微观结构表征：
观察和分析影响机械、电气和腐蚀性能的晶粒结构、相分布和微观结构。
相识别：
识别合金元素或特定热处理产生的不同相（如固溶体、金属间化合物或沉淀物）。
质量控制：
检测和评估可能影响性能和可靠性的缺陷，如孔隙、夹杂物、裂纹、偏析和非金属杂质。
加工效果评估：
研究制造和金属成形过程（铸造、锻造、轧制、退火等）对微观结构的影响，进而影响材料的性能。
腐蚀和降解分析：
为了研究腐蚀机制，评估降解程度，并确定易受腐蚀或其他形式环境侵蚀的区域。
失效分析：
通过检查断裂或失效部位及其周围的微观结构，确定在使用过程中失效的原因。
均匀性和合金分布：
评估合金元素的均匀性，检测可能影响材料性能的任何偏析或不均匀分布。

金相学研究为优化加工参数、确保质量以及提高铜及其合金在各种应用中的性能和使用寿命提供了关键的见解。

用铁素体硝酸盐10%（QATM-CU2）腐蚀后的铜合金铸件的微观结构 - 200x

腐蚀后的铜样品的微观结构 - 200x

Cutting

由于变形程度小、热量产生有限，因此湿式切割被认为是切割铜及其合金的最合适技术。铜及其合金的内在延展性、柔软性以及相对较低的退火温度范围（200–400 °C）在切割过程中带来了显著的挑战。通常，树脂结合的碳化硅（SiC）切割轮是这些材料的首选。QATM提供直径范围为100 mm至600 mm的树脂结合SiC切割轮。

设备	切割轮	防腐冷却液	夹紧工具	切割方法
Qcut 150 A	SiC切割轮 92004998	QATM标准	夹紧臂 L 迷你夹具 L	垂直切割（Y轴）

参数

进给速度	脉冲参数	旋转速度
0,1 mm/s	无脉冲	2500 rpm

在 QCUT 150 A 精密切割机上横截面和纵向切割铜管

设备	切割轮	防腐冷却液	夹紧工具	切割方法
Qcut 250 A	NF-A SiC 切断轮 95012531	QATM标准 95014282	2 x Qtool 60 (Z2235200) 2 x Easy-clamping base S (Z2236030) 2 x Universal vice piccolo 100 (Z1350012)	垂直切割（Y轴）

参数

进给速度	脉冲参数	旋转速度
0,7 mm/s	+ 0.2 / - 0.2 mm	3015 rpm

在QCUT 250 A台式切割机中切割铜型材

设备	切割轮	防腐冷却液	夹紧工具	切割方法
Qcut 400 A	金属锯片 400x2,5x32 mm	QATM标准	2 x Qtool 80 - 250mm (Z2231202) 4 x Clamping jaw 70mm slotted 02231233	横向：垂直切割（Y轴）纵向：水平切割（X轴）

参数

进给速度	脉冲参数	旋转速度
横向： 5,0 - 20,0 mm/s 纵向： 5,0 – 10,0 mm/s	无脉冲	1000 rpm

在QCUT 400 A落地式切割机中使用棱镜夹紧盘切割大铜管。

镶嵌

需要进行安装：

尺寸小或复杂的笨重样品
敏感的样品材料，例如软、脆、易碎、多孔。
将切割样品组合成一个样品。
为了保护边缘层和涂层（如氮化钢、等离子喷涂涂层或油漆涂层），需要进行特殊处理。
为了便于进一步处理，样品的尺寸必须保持一致。

冷镶和 UV 镶是铜样品的首选镶嵌工艺。对于热装配，虽然可以进行，但应准确考虑以下几点。热装配的温度应低于 190 °C，因为如前所述，大多数铜合金的退火温度在 200 - 400 °C 之间，热装配过程中超过 190 °C 的温度会损害微观结构。以下是装配过程的一些示例。

紫外线镶嵌

设备	Mixing ratio / Volume	Curing time	Mold	Additional equipment
QMOUNT with UV 50	1 组件安装材料	1:30 分钟	聚丙烯 Ø 40 mm 95017319	-

Notes

首先，用木棍将 UV 50 完全覆盖在样品上，并将其放入 Qmount 中 1:30 分钟。完成此步骤后，我们得到的是覆盖了 UV 50 的样品。

随后，将覆盖了 UV 50 的样品再次放入 PP 模具中。模具应完全充满 UV 50，并再次放入 Qmount 中 1:30 分钟。

Qmount

UV 50

样品固定在安装模具的底部，首先用 UV 50 覆盖。

冷镶嵌

设备	Mixing ratio / Volume	Curing time	Mold	Additional equipment
KEM 20	Powder : Liquid 2 :1	15 分钟	聚丙烯 Ø 30 mm 95017319	Mixing cup {{LL::knowledgebase.aluminum_metallography.extended.mounting.table.equipment.mixingspoon} Mixing stick 加压罐

Notes

为了在安装样品时避免气泡，我们建议使用加压罐。

需要嵌入的样品必须固定，以防止其倾斜或漂浮。我们建议用超级胶将样品粘在模具的底部，或者使用塑料夹。

KEM 20

加压罐

安装好的样品

纯铜

纯铜是一种酒红色金属，通常被称为红铜或铜。其密度为 8.92 g/cm³，被归类为重型有色金属。由于其优异的导电性和导热性，纯铜在电气行业得到广泛应用，例如用于发电机和变压器的线圈、电线和电缆。它还具有良好的耐腐蚀性。在潮湿环境中，铜表面会形成一层保护性的绿色碱性碳酸铜，称为铜绿，它能保护金属免受进一步腐蚀。尽管纯铜的硬度和强度相对较低，但它具有很高的延展性，因此可以通过冷加工和热加工方法轻松地将其加工成各种形式，包括薄板、带材、线材和管道。

使用压力罐将纯铜安装在 KEM 20 中

经过精细抛光和用铁质硝酸盐（QATM 的 Cu2 抛光剂）腐蚀后的纯铜样品 - 200:1

经过精细抛光和用铁质硝酸盐（QATM 的 Cu2 抛光剂）腐蚀后的纯铜样品 - 500:1

使用 QPIX Control 软件测量纯铜样品的晶粒大小。晶粒大小：8.3

铜合金

纯铜的性能不适合许多应用，因此添加合金元素可以大大扩展铜的应用范围。每种合金元素都可以显著改善纯铜的一个或多个性能，例如强度、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性。有些合金还可以改变纯铜的颜色，例如镍、锡或锌。以下是两张图片，总结了各种合金元素对铜合金的影响。

各种低合金铜的性能图，DKI 4501

定子中铜发夹大焊缝的尖端经过精细抛光后——25:1

用Klemm II彩色腐蚀剂腐蚀后的黄铜样品，具有树枝状微观结构和树枝状结构之间的共析相——100:1

最终抛光后的黄铜铸造样品，具有著名的α-β微观结构，铅夹杂物的颜色为深蓝色——500:11

树枝状结构之间的共析相为灰色相，可以清晰地观察到——200:1

用铜A腐蚀剂腐蚀后的铸造铜合金的树枝状微观结构——25:1

用铜A腐蚀后的α-β黄铜合金——100:1

用铁素体硝酸盐CU2腐蚀剂腐蚀后的铜发夹焊缝——25:1

铜铍合金两面镀银后经过最终抛光——500:1

用铜A腐蚀剂（Fe3Cl）腐蚀后的铜铍合金两面镀层——500:1

铜A刻蚀剂刻蚀后的黄铜合金。蓝色铅夹杂物可以清晰地观察到——100:1

铜作为电子元件的一部分

由于其出色的导电性、导热性和可塑性，铜在电子元件中起着重要作用。作为布线、印刷电路板（PCB）、连接器和集成电路引线的首选材料，铜确保了电子设备内部电信号的高效传输和散热。其低电阻特性可减少能量损失，使电子元件更加可靠且节能。此外，铜的耐用性和抗腐蚀性有助于延长电子设备的使用寿命。随着技术进步和小型化趋势的持续发展，铜仍然是关键材料，支持着各行各业现代电子产品的性能和创新。

最终抛光后的电子元件结构

最终抛光后的PCB元件中的铜部件——100:1

精抛光后的PCB中铜部件的结构。在图片中间，碳纤维增强塑料部件的微观结构也很明显——100:1

电子样品的振动抛光

为了使电子元件在制备过程中不受任何变形和划痕的影响，有时短时间的最终抛光是不够的。在这种情况下，一种名为振动抛光的特殊技术应运而生。这一准备步骤非常温和，可以达到抛光表面而不变形的效果。一种特殊的振动产生机制可以将理想能量传递到试样上。由于变形及其在表面下相关的层会扭曲微观结构，因此准备抛光表面而不产生伪像非常重要。振动抛光设备Qpol Vibro专为几乎无变形地准备试样表面而设计。（QPOL Vibro链接）

Qpol Vibro